KR101156401B1

KR101156401B1 - 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질 장치

Info

Publication number: KR101156401B1
Application number: KR1020050030022A
Authority: KR
Inventors: 윤영식; 김진홍; 김일수; 최근섭
Original assignee: 에스케이이노베이션 주식회사
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2012-06-13
Also published as: WO2006109972A1; EP1868939A4; EP1868939A1; US20080219901A1; JP2008535766A; CN101155752A; KR20060108039A

Abstract

본원발명은 원통형 수증기 개질장치에 관한 것으로, 개질반응부, 연소반응부, 내부열교환부, 수증기발생부 등 각각의 구성요소를 하나의 반응기 내부에 일체형으로 제작하여 그 구성요소 들이 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 최적의 열교환 네트워크를 구성하도록 하고, 상기 반응기를 상단부, 중단부, 하단부로 분리하여 형성하도록 하여, 촉매의 주입을 용이하게 하는 것과 동시에 내구성 있게 장치를 설계할 수 있도록 함으로서, 수소 스테이션 등과 같이 제한된 영역과 안정성이 요구되는 장소에 설치 가능하도록 설계한 원통형 수증기 개질장치에 관한 것이다.

리포메이트, 혼합관, 내부열교환부, 충진물, 연소가스분리관

Description

열교환기 일체형 원통형 수증기 개질 장치{A CYLINDRICAL STEAM REFORMER INCLUDING A HEAT EXCHANGER}

도1은 종래의 수증기 개질장치의 개략적인 구성도이고,

도2는 본원발명에 따른 수증기 개질장치의 개략적인 구성도이며,

도3은 본원발명에 따른 원통형 수증기 개질장치를 도시하는 내부구조도이고,

도4는 본원발명에 따른 원통형 수증기 개질장치의 각 구성부분의 단면도를 도시한다.

*도면의 주요부호에 대한 설명*

1: 공기/연료입구 2: 버너

3: 연소관 5: 연소가스 분리관

6: 연소 배기가스 출구 11: 수증기 주입구

12: 수증기 발생 통로 13: 수증기 이동통로

14: 원료/수증기 혼합관 21: 원료 주입구

22: 저온 원료/수증기 통로 23: 고온 원료/수증기 통로

24: 개질반응통로 25: 고온 리포메이트 배출관

26: 리포메이트 이동통로 27: 저온 리포메이트 배출구

28: 내부 열교환부 31: 금속 다공성 충진물

32: 보온재 41: 반응기 상단부

42: 반응기 중단부 43: 반응기 하단부

51: 연소가스 이동통로1 52: 연소가스 이동통로2

53: 연소가스 이동통로3 54: 개질반응관

55: 개질분리관 56: 수증기 발생관

57: 수증기 출구 58: 반응기 중단부 몸체

59: 수증기 투입부 60: 원료/수증기 이동통로

61: 원료/수증기 배출구

본 발명은 연료전지 등 수소를 필요로 하는 곳 또는 연료전지 자동차에 수소를 공급하기 위한 수소 스테이션 또는 그에 준하는 곳에 설치하여 천연가스 혹은 탄화수소를 이용하여 계속적으로 수소를 공급할 수 있는 원통형 수증기 개질장치에 관한 것이다.

최근 화석연료의 매장량의 한계와 환경오염 등의 문제가 대두되면서 궁극적으로는 무공해 청정연료인 수소를 에너지 매개체로 하는 수소에너지 시대가 도래할 것으로 예측하고 있다. 그러나, 아직까지는 순수한 청정에너지인 대체에너지로부터 수소를 생산하는 데에는 기술적으로나 상업적으로 한계가 존재하고 있다. 따라서, 그 중간단계로서 기존에 사용하던 화석연료, 즉, 천연가스를 포함한 탄화수소를 이용하여 저공해 청정연료인 수소를 생산하고자 하고 있다.

이러한 수소는 이미, 암모니아 합성, 메탄올 합성, 석유정제에 필요한 수첨탈황, 수소화처리, 일반 및 정밀화학 산업, 전자 및 반도체 산업, 식품 그리고 금속가공업 등 여러 산업 분야에서 폭 넓게 이용되고 있다. 특히, 최근에는 에너지 분야에 있어, 내연기관이 활용되지 못하는 우주 왕복선의 추진제를 포함하여 자체 전력공급 및 에너지 효율과 환경오염 문제를 한꺼번에 해결할 수 있는 가정용, 발전용 연료전지 및 연료전지 자동차의 연료로 그 사용처가 확대되고 있다.

현재, 이를 위한 수소 제조방법으로는 화석연료(석탄, 석유, 천연가스, 프로판, 부탄)의 수증기 개질, 부분 산화 혹은 자열개질, 그리고 물의 전기분해 등이 있으나, 이 중 수증기 개질법이 가장 상업적으로 널리 이용되고 있는 경제적인 기술이라 할 수 있다.

그러나, 상기 수증기 개질법은 주로 대규모 수소생산공정에 사용되는데, 이 경우 상기 수소생산공정에 사용되는 개질반응기를 고압(15-25bar) 및 고온(850도 이상) 조건에서 운전할 수 있도록 설계할 수 있어 수소 제조에 유리하다는 장점은 있으나, 상기 반응기 자체의 크기가 너무 크게 되어 열적 네트워크를 효과적으로 설계하기가 힘들고, 따라서, 전체적으로 효율이 낮게 된다는 문제가 있다. 한편, 상기 수소생산공정에 사용되는 개질반응기를 중소형 크기로 작게 설계하는 경우에는 그 제작이 복잡하고 설치비용이 급속도로 증가하여 경제적인 면에서 불리하다는 문제점이 있다.

또한, 안정적인 운전에 초점을 맞추어 장치를 크게 설계하다 보면 각각의 단위 공정들, 즉, 개질반응기, 고온 및 저온 전환반응기, 수증기 발생기 등이 분리되어 설치되고, 이들의 열교환을 위한 외부 열교환기가 별도로 설치되어 짐으로서, 전체적인 구성에 있어 장치가 커지게 되어 각 반응기에 연결된 배관과 열교환기에서 발생하는 열손실로 인해 높은 열효율을 기대하기 어렵다는 문제가 있다.

따라서, 중소형에 적합한 개질장치들은 이러한 단점을 극복하기 위해 각각의 단위 공정들을 부분적으로 통합하고 중소형 시스템에 적합한 촉매를 개발함과 동시에 열 흐름의 분석을 통해 상호 열교환 네트워크를 최적화하고 구조적으로 단순화하여 가공 및 생산성을 높이고, 크기를 작게 하면서 동시에 일체화하여 초기 기동시간 및 열 손실을 줄여 궁극적으로 열효율을 높이려는 시도들이 진행되고 있다.

이러한 중소형에 적합한 개질장치의 종래의 한 실시예가 도1에 도시되어 있다. 도면을 참조하여 설명하면, 종래의 경우, 버너에서 생성된 연소가스는 개질반응기의 개질반응에 필요한 열량을 공급하고 나온 후 고온의 연소배기가스를 이용하여 원료/물의 온도를 수증기 개질반응기에 적합한 온도(500도 - 700도)로 승온을 돕도록 하기 위하여 외부에 대형 외부 열교환기를 설치하도록 하고 있다. 그러나, 이 경우 상기 열교환기는 상술한 바와 같이 500도 이상의 연소배기가스를 열교환 해야 함으로, 고온용으로 사용해야 함과 동시에 그 크기도 상대적으로 클 필요가 있어 가격적인 면과 크기에 있어 문제가 되었고, 특히 열교환기 자체의 보온문제와 배관에서의 열손실로 인하여 열효율을 높이는 데에도 한계가 있었다.

또한, 개질된 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등이 포함된 고온의 리포메이트에서 일산화탄소를 제거하기 위해 수성가스 전환반응기에 상기 리포메이트를 공급하는 과정 중 상기 전환반응에 적합한 400도 내지 500도로 온도를 낮추도록 추가적으로 외부에 열교환기를 필요로 하게 되나, 이때도 상술한 바와 같은 열교환기의 재질 문제가 발생하고, 또한, 열교환 매체로 버너의 연료로 사용하는 공기를 이용하게 된다는 점에서 열전달의 효율문제가 발생하게 되어 열 손실을 최소화하기 어렵게 된다는 문제가 발생하게 된다.

따라서, 상술한 바와 같은 문제를 해소하기 위해, 열교환기 및 그에 따른 배 관에서 발생하는 열손실을 최소화하고, 설치공간을 최적화할 수 있는 수증기 개질장치를 강구할 필요가 발생하게 되었다.

본원발명은 이와 같은 문제를 해소하기 위해 마련된 것으로, 본원발명은 개질반응부, 연소반응부, 내부열교환부, 수증기발생부 등 각각의 구성요소를 하나의 반응기 내부에 일체형으로 제작하여 그 구성요소 들이 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 최적의 열교환 네트워크를 구성하도록 한 것을 특징으로 한다.

본원발명의 다른 목적은, 반응기 내부에 내부열교환부를 구성하도록 하는 것에 의해 추가적인 외부 열교환기의 용량을 최소화하고 주변장치로 인한 열손실을 최소화하여 기존의 상업용 수소 제조플랜트보다 열효율을 극대화한 것을 특징으로 한다.

본원발명의 또 다른 목적은, 반응기를 상단부, 중단부, 하단부로 분리하여 형성하도록 하여, 촉매의 주입을 용이하게 하는 것과 동시에 내구성 있게 장치를 설계할 수 있도록 함으로서, 수소 스테이션 등과 같이 제한된 영역과 안정성이 요구되는 장소에 설치 가능하도록 설계한 것을 특징으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본원발명의 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치는 내부열교환부가 형성된 반응기 상단부, 상기 반응기 상단부에 연결되어 연소반응부, 수증기 발생부, 개질반응부를 포함하여 구성되는 반응기 중단부 및 상기 반응기 중단부의 저면을 형성하는 반응기 하단부를 포함하여 구성되고,

상기 반응기 상단부, 반응기 중단부 및 반응기 하단부는 상호 분리할 수 있도록 형성하여, 그 결합에 의해, 상기 반응기 상단부의 내부열교환부 및 상기 반응기 중단부의 열전달유로를 형성할 수 있도록 하여, 열팽창에 의한 상기 반응기 충격을 완화할 수 있도록 한 것을 기술적 특징으로 한다.

상술한 본원발명의 목적은 이 기술분야에서 숙련된 당업자에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도2는 본원발명에 따른 수증기 개질장치의 개략적인 구성도이고, 도3은 본원발명에 따른 원통형 수증기 개질장치를 도시하는 내부 구조도이며, 도4는 본원발명에 따른 수증기 개질장치의 상단부, 중단부 및 하단부를 분리한 내부 구조도를 도시하고 있는 도면이다.

본원발명에 따른 원통형 수증기 개질장치의 개략적인 구성도가 도2에 도시되어 있는 바, 도면을 참조하면, 본원발명에 따른 수증기 개질장치는 반응기 내부에 내부열교환부, 연소반응부, 수증기 발생부 및 개질반응부를 포함하여 구성하고 있는 것을 기술적 특징으로 한다. 즉, 본원발명의 원통형 수증기 개질장치는 종래의 도1에서 도시하고 있는 수증기 개질장치에서 필요로 하는 외부에 설치되는 외부열교환기의 크기와 배관에서의 열손실을 최소화할 수 있도록 반응기 내부에 내부 열교환기를 구성하고 연소가스의 유로를 개선하여 소용량의 저온용 외부 열교환기만을 사용할 수 있도록 설계한 것을 기술적 특징으로 한다.

도3은 본원발명에 따른 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치의 구조단면도를 도시하고, 도4는 상기 도3에 따른 수증기 개질장치의 각 부분의 단면도를 도시하고 있다. 즉, 본원발명의 원통형 수증기 개질장치는 그 내부에 내부열교환부를 마련하도록 하는 것과 함께 상기 수증기 개질장치의 상단부, 중단부, 하단부를 분리할 수 있도록 형성하여 조립 및 해체를 편리하게 하고, 또한, 상기 개질장치의 내부의 유로에 주입되는 충진물, 개질촉매 등의 주입 및 교환을 용이하게 한 것을 기술적 특징으로 한다.

본원발명에 따른 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치는 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 내부열교환부(28)가 형성된 반응기 상단부(41)와, 상기 반응기 상단부(41)에 연결되어 연소반응부, 수증기 발생부, 개질반응부를 포함하여 구성되 는 반응기 중단부(42)와, 상기 반응기 중단부(42)의 저면을 형성하는 반응기 하단부(43)를 포함하여 구성되어 진다. 이와 같이 구성된 반응기의 각 부분을 도3 및 도4를 참조하여 설명하도록 하겠다.

도4a는 반응기 상단부의 단면도를 도시하고 있는 것으로, 상기 반응기 상단부(41)는 두개의 유로를 구비하여 형성되어 있는 바, 그 중 한 유로는 원료/수증기가 이동하는 부분이고, 다른 하나는 반응기 중단부(42)에서 형성된 리포메이트가 외부로 배출되기 전에 이동하는 부분이다. 이렇게 형성되어 있는 상기 두개의 유로는 서로 인접하여 위치하고 있고, 또한 상기 유로를 통과하는 원료/수증기와 리포메이트는 서로 다른 온도를 각각 구비하고 있어 통과시 상호 열교환을 행한다는 점에서 상기 두개의 유로는 열교환기로서의 역할을 행한다. 즉, 본원발명의 반응기 상단부(41)에 마련되는 내부열교환부(28)는 원료/수증기 이동통로(60)와 리포메이트 이동통로(26)로 구성되어 진다.

이 중, 원료/수증기가 이동하는 부분은 원료주입구(21)를 통해 외부에서 주입되는 원료와 상기 반응기 중단부(42)의 수증기 발생부를 통해 발생된 수증기를 수증기투입부(59)를 통해 주입하여 상기 원료와 혼합을 행하는 원료/수증기 혼합관(14)과, 상기 원료/수증기 혼합관(14)에서 혼합된 원료/수증기가 이동하는 원료/수증기 이동통로(60)와, 상기 원료/수증기 이동통로(60)를 거치면서 리포메이트와 열교환을 행한 원료/수증기를 상기 반응기 중단부(42)의 개질반응부로 배출하기 위한 원료/수증기 배출구(61)로 구성되어 있다.

한편, 리포메이트가 이동하는 부분은 상기 반응기 중단부(42)의 개질반응부에서 형성된 리포메이트가 이동하는 리포메이트 이동통로(26)와, 상기 리포메이트 이동통로(26)를 거치면서 상기 원료/수증기와 열교환을 행한 리포메이트를 외부로 배출하도록 하는 저온 리포메이트 배출구(27)로 구성된다.

상술한 바와 같이 원료/수증기 이동통로(60)와 리포메이트 이동통로(26)로 구성되는 상기 내부열교환부(28)의 열전달 유로는 도4a 및 도4b에 도시된 바와 같이 상기 반응기 상단부(41)와 상기 반응기 중단부(42)의 결합에 의해 리포메이트 이동통로(26)를 형성하도록 구성하며, 바람직하게는 상기 유로를 형성하는 판의 수를 조정하도록 하는 것에 의해 지그재그로 형성할 수 있도록 함으로서 보다 효율적으로 열교환이 행해질 수 있도록 설계할 수 있다. 더불어, 상기 내부열교환부(28) 내에는 금속 다공성 충진물을 삽입하도록 함으로서 최소 부피에 최대의 열전달 면적을 확보할 수 있도록 한다. 상기 삽입되는 충진물은 내부식성이 강한 금속 재질을 사용하는 것이 바람직하고, 그 형태는 메쉬, 파이버, 니트 등으로 형성하도록 하여 파이프 내의 압력강하를 방지하도록 한다.

도3 및 도4b를 참조하여 본원발명에 따른 반응기 중단부를 설명하면, 상기 반응기 중단부(42)는 연소반응부, 수증기 발생부 및 개질반응부를 포함하여 구성된 다.

상기 반응기 중단부(42) 중 연소반응부는 원통형 수증기 개질장치에 있어, 개질반응 등에 요구되는 일정한 열량을 공급하기 위한 부분으로, 공기/연료입구(1)로 들어온 공기/연료를 연소시키기 위한 버너(2)와, 상기 버너(2)에서 연소된 연소가스를 이용하여 상기 개질반응부와 열교환을 행할 수 있도록 상기 개질반응부를 감싸도록 형성하고 있는 연소가스가 이동하는 연소가스 이동통로1(51) 및 연소가스 이동통로2(52)와, 상기 연소가스 이동통로2(52)를 거친 후, 수증기 발생부와 열교환을 행하기 위한 연소가스 이동통로3(53)과, 상기 연소가스 이동통로3(53)을 통해 나온 연소가스를 외부로 배출하기 위한 배기가스 출구(6)를 포함하여 구성하고 있다.

여기서, 상기 연소가스 이동통로1(51)은 연소관(3)과 개질반응관(54) 사이에 위치하고, 연소가스 이동통로2(52)는 개질반응관(54)과 연소가스분리관(5) 사이에 위치하여 상기 개질반응관(54)을 감싸도록 형성한다. 따라서, 상기 연소가스 이동통로1(51)과 연소가스 이동통로2(52)에 의해, 상기 개질반응부를 감싸도록 함으로서, 상기 연소가스와 개질반응부가 상호 열교환을 행할 수 있도록 하는 것에 의해, 개질반응에 필요한 열량을 상기 연소가스로부터 공급될 수 있도록 한다. 여기서, 연소관(3)은 버너에 의한 화염의 국부과열을 방지하고 상기 연소가스 이동통로1(51)로 연소가스를 유도하는 역할을 행한다.

또한, 상기 연소가스 이동통로2(52)를 통과한 연소가스는 연소가스 분리관(5)에 의해 신설된 유로인 연소가스 이동통로3(53)을 통과하도록 구성된다. 상기 연소가스 이동통로3(53)은 연소가스 분리관(5)과 수증기 발생관(56) 사이의 유로에 의해 형성되어, 상기 수증기 발생부와 열교환을 행하도록 구성된다. 여기서, 상기 연소가스 분리관(5)을 마련하도록 하여, 상기 연소가스 이동통로1(51)을 통과한 연소가스를 연소가스 이동통로2(52)와 연소가스 이동통로3(53)의 두개의 유로로 분리하도록 구성한 것은 상기 연소가스에서 발생하는 열을 상기 연소가스 이동통로2(52)와 상기 연소가스 이동통로3(53)의 두개의 유로에 고르게 분배하도록 하여 열 손실을 최소화하여 최적의 열교환을 나타낼 수 있도록 하는 것과 동시에, 연소가스의 온도가 급격하게 떨어지는 것을 방지하기 위한 목적에 의한 것이다. 상기 연소가스 이동통로3((53)을 통과한 연소가스는 이 후, 배기가스 출구(6)를 통해 배출되게 되어, 외부에 형성된 열교환기에서 상기 개질장치의 내부로 공급되는 물을 예열하는 역할을 행하게 된다.

상기 반응기 중단부(42) 중 수증기 발생부는 본원발명인 원통형 수증기 개질장치에 수증기를 공급하기 위한 부분으로, 외부에서 승온된 기액 공존상태 또는 기체상태의 수증기 형태로 주입되는 수증기 주입구(11)와, 상기 수증기 주입구(11)를 통해 주입된 수증기를 연소가스 이동통로3(53)을 통과하는 연소가스와 열교환을 행하여 소정온도로 승온시키기 위한 수증기 발생통로(12)와, 상기 수증기 발생통로(12)를 통과한 수증기를 상기 반응기 상단부(41)로 배출하도록 하기 위한 수증기출 구(57)를 포함하여 구성한다.

여기서, 상기 수증기 발생통로(12)는 반응기 중단부 몸체(58)와 수증기 발생관(56) 사이의 유로에 의해 형성하고, 그 내부에는 금속 다공성 충진물을 간단히 삽입하도록 하는 것에 의해 최소 부피에 최대의 열전달 면적을 확보할 수 있도록 구성한다. 이는 기존의 열교환 튜브를 반응기 주변에 감아 사용하는 것과 비교하여 제작이 용이하다는 장점을 지닌다. 또한, 상기 충진물은 내부식성이 강한 금속재질을 사용하도록 하는 것이 바람직하고, 그 형태로는 메쉬, 파이버, 니트 등으로 형성하도록 하여, 파이프 내의 압력강하를 방지하도록 한다. 바람직하게는 고온에서의 변형이나 열팽창 그리고 표면의 산화에 의한 부식이 초래되지 않는 스테인레스강을 사용하도록 한다.

이러한 구성에 의해 발생된 수증기는 상술한 바와 같이, 수증기출구(57)를 통해 배출되어 반응기 상단부(41)와 반응기 중단부(42)를 연결하는 수증기 이동통로(13)를 통과하여 반응기 상단부(41)에 투입될 수 있게 구성되어 진다. 상기 수증기 이동통로(13)는 소정의 플랜지에 의해 반응기 상단부(41)와 반응기 중단부(42)에 연결되어 있어 조립 및 해체를 용이하게 할 수 있도록 하고 있다.

상기 반응기 중단부 중, 개질반응부는 외부에서 공급된 원료/수증기로 부터 수소를 형성하기 위한 부분으로서, 개질반응관(54) 내에 마련되는 개질분리관(55) 에 의해 형성되는 고온 원료/수증기 통로(23) 및 개질 반응 통로(24)의 두개의 유로와, 고온 리포메이트 배출관(25)으로 구성된다. 여기서, 상기 고온 원료/수증기 통로(23)는 상기 반응기 상단부(41)에 마련되는 내부열교환부(28)를 통과한 저온 원료/수증기가 주입되어 상기 개질반응관(54)을 감싸고 있는 연소가스 이동통로2(52)와의 열교환에 의해 상기 개질 반응 통로(24)에 들어가기 전에 소정의 온도로 예열이 행해지는 부분이고, 상기 개질 반응 통로(24)는 상기 고온 원료/수증기 통로(23)를 거친 고온 원료/수증기를 개질촉매 등에 의해 개질반응을 행하여 상기 원료/수증기를 개질 반응 리포메이트로 전환하도록 하는 부분이다. 여기서, 상기 고온 원료/수증기 통로(23) 역시, 그 내부에 수증기 발생 통로(12)와 같은 금속 다공성 충진물을 삽입하도록 하는 것에 의해 효과적인 열전달 면적을 확보할 수 있도록 설계할 수 있다.

상술한 바와 같은 상기 개질 반응 통로(24) 내에는 Ni 계를 바탕으로 한 수증기 개질용 촉매 또는 Ni 계 수증기 개질 촉매에 Pt 또는 Ru 등의 귀금속류를 적어도 0.01wt% 이상 함유한 개질촉매를 삽입하여 사용하도록 한다. 그리고, 상기 개질촉매의 지름은 파이프 내의 압력강하와 반응성 등을 고려하여 상기 개질 반응 통로(24) 지름의 1/3 내지는 1/10 정도의 크기를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.

본원발명의 원통형 수증기 개질장치의 반응기 하단부(43)는 도4c에 도시되어 있는 바, 상기 반응기 하단부(43)는 반응기 중단부(42)의 저면을 형성하고 있는 부분으로서, 본원발명에 있어서는 연소관(3)과 연소가스분리관(5)을 포함하여 형성되어 있다. 즉, 본원발명의 반응기 하단부(43)와 반응기 중단부(42)와의 결합에 의해 소정의 유로를 형성할 수 있도록 하고 있다. 이렇게 반응기 하단부(43)를 별도로 구성하도록 하는 것에 의해, 상기 장치의 작동에 의해 발생하는 열 팽창시 상기 반응기 중단부(42)와 반응기 하단부(43)가 서로 간섭이 발생하지 않게 하는 장점이 있다.

또한 열전달 유로를 형성하는 연소관(3)과 연소가스 분리관(5)은 상기 반응기 하단부(43)와 결합되어 형성되어 있는 바, 통상적으로는 제작이 용이한 금속재질을 사용하도록 하나, 때에 따라서는 전도에 의한 열전달을 방지하기 위해 세라믹 재료 혹은 그와 유사한 열전달 계수를 갖는 물질을 삽입하여 사용하기도 한다. 본원발명의 반응기 하단부(43)는 연소관(3) 및 연소가스분리관(5)과 일체로 결합하여 형성되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 경우에 따라 다른 부분으로 대체 하는 것도 가능하다. 도3에서 부호32로 도시되어 있는 부분은 보온재를 나타내고 있는 것으로, 이는 반응기 중단부에서 발생하는 연소과정에 의해 발생하는 화염이 다른 반응과정에 영향을 미치는 것을 막기 위한 것이다.

즉, 본원발명의 상기 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치는 상술한 바와 같이, 반응기 상단부(41), 반응기 중단부(42) 및 반응기 하단부(43)를 별도로 형성하도록 하는 것과 동시에, 플랜지 등을 사용하여 연결하도록 구성하고 있어, 고속 운전시 발생하는 금속의 열팽창 시에도 상기 반응기 각각이 서로 간섭이 발생하지 않도록 설계하였다는 특징을 구비하며, 반응기 상단부(41)와 반응기 중단부(42)와의 분리가 용이하게 설계됨으로 인해, 각 부분의 분리 시 개질반응부 촉매의 주입구가 오픈되어 짐으로서 촉매의 주입 등을 원활하게 행할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 반응기 중단부(42)의 열전달 유로를 효과적으로 배치하도록 하는 것에 의해, 연소반응부, 개질반응부, 수증기 발생부 등의 열교환을 효율적으로 수행할 수 있도록 최적의 열교환 네트워크를 설계하였다는 장점을 구비한다.

이와 같이 형성된 본 발명인 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치의 작용을 도2 및 도3을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도3은 본 발명에 따른 원통형 개질장치를 나타내는 내부 구조도로써, 본 발명에 따른 원통형 개질장치는 크게 연소과정과 개질과정의 두부분으로 나뉠 수 있다.

연소과정은 도2 및 도3에 도시되어 있는 바와 같이, 우선, 반응기의 버너에 공급되는 공기는 반응기 상단부(41)의 저온 리포메이트 배출구(27)로 배출되는 리포메이트에 의해 외부에 형성되어 있는 열교환기에서 예열되어 공기/연료 주입구 (1)를 통해 공급되어 진다. 이렇게 공급되는 공기는 연료와 함께 버너(2)를 통해 연소관(3) 내부에서 연소되어 열량을 발생하게 되고, 이렇게 발생된 연소가스는 연소가스 이동통로1(51), 연소가스 이동통로2(52) 및 연소가스 이동통로3(53)을 거치면서 개질반응부와 수증기 발생부와 열교환을 행하게 된다. 즉, 상기 연소가스는 개질반응부와의 열교환을 통해 상기 개질반응부 내의 보온을 유지하도록 하는 것과 동시에, 상기 수증기 발생부를 통과하는 수증기의 온도를 승온시키는 역할을 행한다. 이러한 과정을 거친 연소가스는 연소 배기가스 출구(6)를 통해 외부로 배출되게 된다. 상술한 과정에 의해 연소과정이 이루어지게 된다.

도2 및 도3을 참조하여 본원발명에 따른 개질과정을 설명하면, 우선, 본원발명에 따른 개질장치에 있어서는 수증기가 공급되어져야 한다. 따라서, 외부에서 공급되는 물은 우선, 상기 연소과정으로 인해 외부로 배출되는 배기가스에 의해 외부에 형성되어 있는 소용량의 저온용 외부 열교환기에서 열을 공급받아 수증기 형태로 전환되어 수증기 개질장치의 수증기 주입구(11)를 통해 반응기 내부로 주입되어진다. 이렇게 주입되어진 수증기는 수증기 발생통로(12)를 통해 인접한 연소가스 이동통로3(53)와의 열교환에 의해 연소가스의 열을 회수하여 수증기출구(57) 및 수증기 이동통로(13)를 통해 반응기 상단부(41)에 마련되어 있는 수증기 투입부(59)를 통해 상기 반응기 상단부(41)에 투입된다. 투입된 수증기는 원료주입구(21)를 통해 주입된 원료와 원료/수증기 혼합관(14)에서 혼합되어 원료/수증기 이동통로(60)를 통해 이동하게 된다.

이때, 상기 원료/수증기 이동통로(60)를 통해 이동하는 원료/수증기는 인접한 리포메이트 이동통로(26)를 통해 이동하는 리포메이트와 열교환을 행하여 일차적으로 열을 회수하게 된다. 이 후, 상기 원료/수증기는 원료/수증기 배출구(61) 및 반응기 상단부(41) 및 반응기 중단부(42)를 연결하는 저온 원료/수증기 통로(22)를 거쳐 반응기 중단부(42)로 들어가게 된다. 이 후, 상기 반응기 중단부(42)로 들어오게 된 상기 저온 원료/수증기는 개질반응을 거치기 전에 개질반응에 적합한 온도로 예열이 행해 져야 하는 바, 상기 예열은 고온 원료/수증기 통로(23)를 거치면서 인접한 연소가스 이동통로2(52)와의 열교환에 의해 연소가스로부터 이차적으로 열을 회수하도록 하는 것에 의해 달성된다. 그 후, 상기 원료/수증기는 개질 반응 통로(24)에 유입되어 개질촉매에 의해 개질 반응을 수행하게 된다. 상기 개질 반응에 의해 상기 원료/수증기는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 미반응된 원료와 여분의 물로 구성된 개질 반응 리포메이트로 전환되게 된다.

이렇게 개질된 상기 개질 반응 리포메이트는 고온 리포메이트 배출관(25)을 통과하여 상기 반응기 상단부(41)로 이동하게 되어 리포메이트 이동통로(26)를 거쳐 저온 리포메이트 배출구(27)로 배출되게 된다. 여기서, 상기 리포메이트 이동통로(26)는 상술한 바와 같이, 원료/수증기 이동통로(60)와 인접해 있어 상호 열교환에 의해 상기 원료/수증기에 열량을 공급하도록 한다. 상기 저온 리포메이트 배출구(27)에 의해 배출된 리포메이트는 추가적인 외부 열교환기를 거쳐 수성가스 전 환 반응기에 유입되도록 한다. 이와 같은 과정에 의해 본원발명의 개질과정이 달성되어 진다.

이때, 상술한 공기/연료 주입구(1)로 주입되는 연료는 초기에는 개질에 사용되는 화석연료를 사용하여 적절한 공기와 혼합하여 사용하며, 운전 중에는 피.에스.에이 등에서 혹은 연료전지 스택에서 미처 사용하지 못한 오프-가스를 주로 사용하고 화석연료는 열량을 맞추는데 보조로 사용하게 된다.

상술한 바와 같이, 본원발명은 기존의 대형 플랜트에서 활용했던 수소 발생장치를 축소화하여 연료전지 혹은 수소 스테이션에 설치하여 수소를 필요로하는 연료전지 시스템 또는 연료전지 자동차에 수소를 계속적으로 공급할 수 있는 원통형 수증기 개질장치로 개질반응기, 연소기, 내부 열교환기, 수증기 발생기 등 각각의 구성요소를 하나의 용기 하에 일체형으로 제작하면서 그 구성요소들이 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 최적의 열 교환네트워크를 구성하여, 열 손실을 최소화하고 최적의 열 교환효율을 나타낼 수 있도록 구성하였으며, 또한 유체흐름을 단순화하여 정체구간을 최소화하고 고온 반응기로써 재질의 팽창수축을 고려하여 고효율, 안정성, 내구성을 갖도록 설계하였다.

이를 수소 스테이션과 같이 제한되고 안정성이 요구되는 영역에 설치하는 경 우, 열교환효율을 극대화 함으로서 전체적으로 효율이 높게 되어 수소제조단가를 낮출 수 있게 되고, 또한 제한된 크기에 외부 열교환기의 용량을 최소화하면서 동시에 작은 용량의 저온용 열교환기로도 충분히 효율적인 열적 네트워크를 구성할 수 있어 부가적인 재료 문제를 해결할 수 있게 되어 수소 스테이션의 상용화에 매우 유리한 효과가 있다.

이상에서의 서술은 특정의 실시예와 관련한 것으로, 청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims

삭제
삭제
내부열교환부(28)가 형성된 반응기 상단부(41);

상기 반응기 상단부(41)에 연결되어 연소반응부, 수증기 발생부, 개질반응부를 포함하여 구성되는 반응기 중단부(42); 및

상기 반응기 중단부의 저면을 형성하는 반응기 하단부(43)를 포함하며,

상기 반응기 상단부(41)는 원료/수증기와 리포메이트가 이동하는 두개의 유로로 형성되고,

상기 두개의 유로는 서로 인접하여 상호 열교환을 행하되, 상기 열교환을 행하는 판의 수와 구조를 조절하도록 하는 것에 의해 열교환면적과 가스흐름을 자유롭게 조절할 수 있는 내부열교환부를 형성한 것을 특징으로 하며,

상기 원료/수증기가 이동하는 부분은,

원료주입구(21)를 통해 외부에서 주입된 원료와 상기 반응기 중단부(42)의 수증기 발생부를 통해 발생된 수증기를 혼합하는 원료/수증기 혼합관(14);

상기 원료/수증기 혼합관(14)에서 혼합된 원료/수증기가 이동하는 원료/수증기 이동통로(60); 및

상기 원료/수증기 이동통로(60)를 거친 원료/수증기를 상기 반응기 중단부(42)의 개질반응부로 배출하기 위한 원료/수증기 배출구(61);를 포함하여 구성되고,

상기 리포메이트가 이동하는 부분은,

상기 반응기 중단부(42)의 개질반응부에서 형성된 리포메이트가 이동하는 리포메이트 이동통로(26); 및

상기 리포메이트 이동통로(26)를 통과한 리포메이트를 외부로 배출하는 저온 리포메이트 배출구(27);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치.
내부열교환부(28)가 형성된 반응기 상단부(41);

상기 반응기 상단부(41)에 연결되어 연소반응부, 수증기 발생부, 개질반응부를 포함하여 구성되는 반응기 중단부(42); 및

상기 반응기 중단부의 저면을 형성하는 반응기 하단부(43)를 포함하며,

상기 반응기 상단부(41)는 원료/수증기와 리포메이트가 이동하는 두개의 유로로 형성되고,

상기 두개의 유로는 서로 인접하여 상호 열교환을 행하되, 상기 열교환을 행하는 판의 수와 구조를 조절하도록 하는 것에 의해 열교환면적과 가스흐름을 자유롭게 조절할 수 있는 내부열교환부를 형성한 것을 특징으로 하며,

상기 내부열교환부(28) 내에 금속 다공성 충진물을 삽입하여 최소 부피에 최대의 열전달 면적을 확보하도록 한 것을 특징으로 하는 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치.
제4항에 있어서,

상기 충진물은 내부식성이 강한 금속 재질을 사용하고, 그 형태는 메쉬, 파이버, 니트 등으로 형성하여, 파이프 내의 압력강하를 방지하도록 한 것을 특징으로 하는 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치.
내부열교환부(28)가 형성된 반응기 상단부(41);

상기 반응기 상단부(41)에 연결되어 연소반응부, 수증기 발생부, 개질반응부를 포함하여 구성되는 반응기 중단부(42); 및

상기 반응기 중단부의 저면을 형성하는 반응기 하단부(43)를 포함하며,

상기 연소반응부는,

공기/연료입구(1)로 부터 들어온 공기/연료를 연소시키기 위한 버너(2);

상기 버너(2)에서 연소된 연소가스를 이용하여 상기 개질반응부와 열교환을 행하기 위해 상기 개질반응부를 감싸도록 형성된 연소가스 이동통로1(51) 및 연소가스 이동통로2(52);

상기 연소가스 이동통로2(52)를 통해 나온 연소가스를 이용하여 상기 수증기 발생부와 열교환을 행하기 위한 연소가스 이동통로3(53); 및

상기 연소가스 이동통로3(53)을 통해 나온 연소가스를 외부로 배출하기 위한 연소 배기가스 출구(6);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치.
제6항에 있어서,

상기 연소가스 이동통로1(51)은 연소관(3)과 개질반응관(54) 사이의 유로에 의해 형성되고,

상기 연소가스 이동통로2(52)는 개질반응관(54)과 연소가스 분리관(5) 사이의 유로에 의해 형성되어 연소가스의 온도가 급격히 떨어지는 것을 방지하며,

상기 연소가스 이동통로3(53)은 연소가스 분리관(5)과 수증기 발생관(56) 사이의 유로에 의해 형성되어 상기 수증기 발생부와 열교환을 행하는 것을 특징으로 하는 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치.
내부열교환부(28)가 형성된 반응기 상단부(41);

상기 반응기 상단부(41)에 연결되어 연소반응부, 수증기 발생부, 개질반응부를 포함하여 구성되는 반응기 중단부(42); 및

상기 반응기 중단부의 저면을 형성하는 반응기 하단부(43)를 포함하며,

상기 수증기 발생부는,

외부에서 수증기 형태로 주입되는 수증기 주입구(11);

상기 수증기 주입구(11)를 통해 주입된 수증기를 연소가스 이동통로3(53)을 통과하는 연소가스와 열교환을 행하는 수증기 발생통로(12); 및

상기 수증기 발생통로(12)를 통과한 수증기를 상기 반응기 상단부(41)로 배출하기 위한 수증기출구(57)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치.
제8항에 있어서,

상기 수증기 발생통로(12)는 반응기 중단부 몸체(58)와 수증기 발생관(56) 사이의 유로에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치.
제8항에 있어서,

상기 수증기 발생통로(12) 내에는 금속 다공성 충진물을 삽입하여, 최소 부피에 최대의 열전달 면적을 확보하도록 한 것을 특징으로 하는 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치.
제10항에 있어서,

상기 충진물은 내부식성이 강한 금속 재질을 사용하고, 그 형태는 메쉬, 파이버, 니트 등으로 형성하여, 파이프 내의 압력강하를 방지하는 것을 특징으로 하는 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치.
내부열교환부(28)가 형성된 반응기 상단부(41);

상기 반응기 상단부(41)에 연결되어 연소반응부, 수증기 발생부, 개질반응부를 포함하여 구성되는 반응기 중단부(42); 및

상기 반응기 중단부의 저면을 형성하는 반응기 하단부(43)를 포함하며,

상기 개질반응부는,

개질반응관(54) 내에 마련되는 개질분리관(55)에 의해 형성되는 두개의 유로인 고온 원료/수증기 통로(23), 개질 반응 통로(24)와 고온 리포메이트 배출관으로 구성되고,

상기 고온 원료/수증기 통로(23)에는 상기 반응기 상단부(41)에 마련되는 내부 열교환부(28)를 거친 원료/수증기가 주입되어, 상기 개질반응관(54)을 감싸고 있는 연소가스 이동통로2(52)와 열교환을 행하고,

상기 개질 반응 통로(24)는 상기 고온 원료/수증기 통로(23)를 거친 고온 원료/수증기를 개질반응을 행하여 개질반응 리포메이트로 전환하는 것을 특징으로 하는 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치.
제12항에 있어서,

상기 개질 반응 통로(24) 내에 마련되는 개질촉매는 Ni계를 바탕으로 한 수증기 개질용 촉매 또는 Ni계 수증기 개질 촉매에 Pt 또는 Ru 등의 귀금속류를 적어도 0.01wt%이상 함유한 것을 특징으로 하는 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치.
제13항에 있어서,

상기 개질 촉매의 지름은 파이프 내의 압력강하와 반응성을 고려하여, 상기 개질 반응 통로(24) 지름의 1/3 내지 1/10 정도의 크기를 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치.
내부열교환부(28)가 형성된 반응기 상단부(41);

상기 반응기 상단부(41)에 연결되어 연소반응부, 수증기 발생부, 개질반응부를 포함하여 구성되는 반응기 중단부(42); 및

상기 반응기 중단부의 저면을 형성하는 반응기 하단부(43)를 포함하며,

상기 반응기 상단부, 반응기 중단부 및 반응기 하단부는 상호 분리할 수 있도록 형성하되,

상기 반응기 상단부, 반응기 중단부 및 반응기 하단부를 결합하도록 하는 것에 의해, 상기 반응기 상단부(41) 및 상기 반응기 중단부(42) 내의 열전달유로를 형성할 수 있도록 하여, 고속 운전시의 금속의 열팽창에 의한 반응기 충격을 완화하도록 한 것을 특징으로 하는 열교환기 일체형 원통형 수증기 개질장치.